EP2132561B1 - Photoakustischer detektor zur messung von feinstaub - Google Patents

Photoakustischer detektor zur messung von feinstaub Download PDF

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EP2132561B1
EP2132561B1 EP08734814.0A EP08734814A EP2132561B1 EP 2132561 B1 EP2132561 B1 EP 2132561B1 EP 08734814 A EP08734814 A EP 08734814A EP 2132561 B1 EP2132561 B1 EP 2132561B1
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EP
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photoacoustic detector
fine dust
photoacoustic
acoustic
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Andras Miklos
Judit Angster
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Definitions

  • Photoacoustic measuring methods ie measuring methods in which the substance to be examined, preferably a gas or a solid surrounded by a gas, is irradiated with a light source and is heated by absorption, are well suited for accurate measurements of the concentration of absorbing substances.
  • the heating causes an expansion of the surrounding gas. If the heating and thus the expansion periodically, a sound wave, which can be measured by a sound pressure transducer.
  • a device for the investigation of particles with photoacoustic spectroscopy contains a light source for generating excitation beams with a fixed power, a fixed pulse shape and a fixed repetition frequency.
  • the source of light is a YAG laser whose pulse length is in the range of 1 ns to 10 ns.
  • a method for determining particles For this purpose, sound waves are detected, which are generated by radiation to the sample. For this purpose, a radiation is selected with such high intensity that a plasma is generated. The sound wave generated at the collapse of the plasma can be detected. Likewise, the emitted electromagnetic radiation can be determined.
  • the object of the present invention is therefore to develop a detector which enables time-resolved and, in particular, also size-resolved measurements of fine dust particle concentrations in the air.
  • a measurement in the exhaust gas should be possible.
  • a photoacoustic detector for measuring fine dust in gas with a pulsed light source for providing excitation light in which a size distribution of the particulate matter can be determined by changing the pulse length and / or pulse repetition frequency, achieves the aforementioned object.
  • the different heat capacity of larger and smaller particulate matter particles is used. The larger a particle is, the greater its mass and heat capacity.
  • a light pulse which is usually a laser pulse
  • the particles are first heated by absorption of light. Then the particles release heat to the environment. The heating of the surrounding gas then leads to an expansion, which causes a pressure wave, which is measurable as sound.
  • the size distribution of the fine dust particles can also be determined by changing the pulse repetition frequency. As stated, the particles are heated at each pulse and then release their heat to the environment. In this case, smaller particles cool more strongly between the individual excitation pulses than larger particles. Since only the respective temperature change of the ambient air contributes to the photoacoustic signal, the photoacoustic signal is larger if the heat absorbed between the individual excitation pulses as completely as possible is released to the environment. Increasing the pulse repetition frequency, the larger particles can not release their heat sufficiently between the individual excitation pulses in the ambient air and thus contribute less to the photoacoustic signal. From a comparison of the total photoacoustic signal at larger and smaller pulse repetition frequencies can thus be concluded that the size distribution of the detected particulate matter. This too can be shown by calculation. However, to obtain accurate measurement results, it is advantageous to calibrate the detector with known samples.
  • the excitation light scattered by the particulate matter it is additionally possible to record the excitation light scattered by the particulate matter.
  • the photoacoustic signal comes from absorbing gases that do not scatter the light or from scattering particles.
  • the scattered light measurement allows to determine the type of fine dust closer.
  • the photoacoustic signal is higher in comparison with the scattered light signal than, for example, with low-absorbing sand or dust particles. Since the composition of the particulate matter in terms of adverse health effects of importance, this additional statement is beneficial.
  • the concentration may be such that the range of maximum sound pressure is in a range in which the temperature is lower than in the gas to be examined.
  • the acoustic energy can be deflected out of an exhaust gas flow and a maximum concentration of the sound pressure can be achieved outside the hot exhaust gas flow.
  • reflectors which can also be used for concentrating the scattered excitation light, are used to concentrate the acoustic energy, the number of cost-incurring and maintenance-requiring fixtures can be reduced. In addition, it often makes sense anyway to concentrate the sound pressure and the scattered excitation light in similar areas.
  • exhaust gas can be passed through the detector without the need for cumbersome sample preparation.
  • continuous measurements can be made in exhaust systems or ventilation systems, for example.
  • a cooling device for sensors that can detect the sound pressure, and / or for sensors that can detect the scattered light exists.
  • a water cooling can be provided.
  • Local cooling by Peltier elements can also reduce the temperature load on the sensors.
  • Another way to reduce the temperature load on sensors is to provide thermal decoupling between the area of generation and the detection of the acoustic signal.
  • thermal decoupling between the area of generation and the detection of the acoustic signal.
  • a robust and temperature-resistant device for detecting the acoustic signal is an optical microphone.
  • the light such as a light emitting diode
  • the lens array via a glass fiber.
  • the light beam is directed onto a mirrored membrane.
  • a remote that is not arranged in the region of high temperature photodetector converts the light signal into electrical voltages. This allows a detector to be set up in the normal temperature range. Only the aforementioned optical elements must withstand the high temperatures.
  • Such microphones have long been known and increasingly cheaply available.
  • a favorable arrangement of the sensors for detecting the acoustic and for detecting the optical signal results from the fact that the sensors are arranged so close together that at a common concentration of the acoustic energy and the scattered light, both sensors are arranged in the range maximum signal. Understandably, the term "maximum signal” does not mean exactly the point of the local maximum of the sound pressure or of the scattered excitation light. It's just an area where a very high signal is present is, so that one can speak of a range of maximum signal. Even with signals up to 20% below the local maximum, one can speak of a range of maximum signal.
  • An increase of the photoacoustic signal as well as of the scattered light signal results when the excitation light can be passed through the measuring area several times. This can be done by correspondingly reflective elements.
  • Light transit times are relatively short compared to the times of the acoustic signal generation, ie the time required to heat the gas accordingly and to be able to detect the resulting sound pressure signal. Also compared to the pulse durations or the time intervals between the pulses, the light propagation times are low. A multiple conduction of the excitation light through the measuring range is therefore not in the way of determining the size distribution of the particulate matter by changing the pulse length or pulse repetition frequency.
  • One way to achieve a high photoacoustic signal results from providing a cylindrical acoustic resonator having means for guiding the excitation light such that the acoustic wave excitable by absorption of the excitation light is the second azimuthal resonance of the cylinder vibration. In this way, a resonance effect is used, which increases the acoustic signal.
  • One cylindrical resonator also provides a suitable geometry, so that the gas to be measured through the detector can flow through low.
  • a suitable means for guiding the excitation light are four mirrors, which are arranged opposite one another in groups of two mirrors in the cylindrical acoustic resonator. In this way, the light can hit a first mirror and be reflected from there to an opposite second mirror. This reflects the light to an adjacent third mirror From this, the reflection takes place on a fourth mirror opposite the third mirror. This finally redirects the light to the first mirror adjacent to it.
  • an increase in the sound pressure is achieved in opposite areas of the cylinder. This can lead to an azimuthal oscillation in the cylinder. If you choose the According to excitation frequencies, an azimuthal oscillation develops at the second azimuthal resonance of the cylinder oscillation.
  • An alternative embodiment of the detector is obtained when the detector has an acoustically open measuring area which is not completely enclosed by a housing.
  • This contains means for introducing excitation light into the measuring area, so that the excitation light of fine dust particles located in the measuring area can be absorbed to generate acoustic energy.
  • at least one acoustic sensor should be provided, with means being provided for achieving a local maximum of the sound pressure at at least one position.
  • the at least one acoustic sensor is arranged in the vicinity of the at least one position at which the local maximum of the generated sound pressure exists. Details are the DE 10 2005 030 151 which is hereby included in the disclosure of the present application.
  • a suitable possibility for generating a local maximum of the sound pressure are acoustic mirrors, in particular parabolic acoustic mirrors.
  • FIG. 1 a measurement setup for the measurement in hot exhaust gas.
  • the main part of the photoacoustic particulate matter detector is a tube 1 made of metal or ceramic whose diameter is matched to the fact that the installation in an exhaust pipe is possible.
  • the measuring installations are enclosed in an annular housing 8.
  • In the tube 1 there are two pairs of gold coated optical mirrors.
  • two plane mirrors 2, of which only the upper one is visible in the drawing, are arranged. These plan mirrors serve to guide light coming from a laser source, not shown in the figure, through reflections several times through the measuring range. The light beam is not always reflected at the same point of the mirror.
  • the point of impact of the light moves from reflection to reflection in each case a little bit further. This results in a line of impact points 3.
  • the particulate matter absorbs the light of the laser pulse.
  • the light is scattered on the fine dust particles.
  • the absorption and subsequent heating of the surrounding air produces a photoacoustic signal.
  • a scattered light signal is generated.
  • a pair of 60 ° off-axis concave mirrors 4 both the photoacoustically generated sound waves and the scattered light are reflected into focal points.
  • acoustic ultrasonic sensors 6 and optical detectors 7. These are located outside the tube 1.
  • the tube 1 In the tube 1 are openings through which concentrated by the concave mirrors sound waves and concentrated by the concave flare light can reach the detectors.
  • a thin heat-resistant plastic film 5 made of polyimide By means of this film it is achieved that the temperature of the hot exhaust gas flowing through the pipe 1 does not reach the detectors. This means that less expensive detectors can be used.
  • an annular housing which surrounds the tube is present. Since the detectors, despite the heat-resistant film 5 are exposed to a temperature load, cooling by Peltier elements combined with air cooling is possible.
  • the gas in which the particulate matter to be measured can flow through the tube 1 unhindered.
  • approximately 100 to 200 pulses are emitted at one wavelength.
  • the signal is averaged.
  • the pulse lengths are varied from 1 ⁇ s to 100 ⁇ s.
  • the pulse repetition frequency is a variation of 1 kHz to 50 kHz.
  • the flow velocity of the gas flowing through can also be determined from the different transit time of the sound signal.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen photoakustischen Detektor zur Messung von Feinstaub in Gas.
    • Stand der Technik
  • Photoakustische Messverfahren, also Messverfahren bei denen mit einer Lichtquelle die zu untersuchende Substanz, vorzugsweise ein Gas oder ein von einem Gas umgebener Festkörper, bestrahlt wird und durch Absorption erwärmt wird, eignen sich gut für genaue Messungen der Konzentration absorbierender Substanzen. Durch die Erwärmung erfolgt eine Ausdehnung des umgebenden Gases. Erfolgt die Erwärmung und damit die Ausdehnung periodisch, entsteht eine Schallwelle, welche von einem Schalldruckaufnehmer gemessen werden kann.
  • Die Messung von Feinstaub in der Luft spielt seit Jahren eine Rolle in der Überwachung der Luftqualität. Darüber hinaus werden auch Anstrengungen unternommen, den Feinstaubgehalt von Abgasen, wobei insbesondere der Gehalt an Russpartikeln interessiert, zu bestimmen. Photoakustische Messmethoden sind hierzu seit längerem bekannt. Wegen des erhöhten apparativen Aufwands haben sie sich jedoch in der Vergangenheit nicht durchgesetzt. Hierbei mag eine Rolle spielen, dass bei der Überwachung der Umgebungsluft in der Regel Mittelwerte über längere Zeiträume, etwa Mittelungen über eine halbe Stunde oder eine Stunde gefragt, sind. Hier bietet es sich an, die Luft durch einen Filter zu leiten und dessen Belegung zu messen. Die Möglichkeiten der Automatisierung sind jedoch begrenzt. Bei der Einstellung und Überprüfung von Verbrennungsmotoren beispielsweise interessiert man sich nicht für längere Mittelwerte, sondern für aktuelle Werte. Von entscheidendem Interesse bei der Messung von Feinstaubpartikeln ist auch die Größe der Feinstaubpartikel. Die Größe der Feinstaubpartikel ist für ihre gesundheitsschädigende Wirkung von entscheidender Bedeutung.
  • Die Eignung des photoakustischen Effekts zur Messung von Feinstaubpartikeln ist bereits durch wissenschaftliche Untersuchungen von A. Petzold, R. Niessner "Photoacoustic sensor for carbon aerosols" nachgewiesen. Entsprechende Geräte können auch kommerziell erworben werden, etwa AVL Micro Soot Sensor, http://www.avl.com. Die Größe der Feinstaubpartikel kann damit jedoch nicht ermittelt werden.
  • Aus der US, 4,722, 602 ist es bekannt, mit Hilfe einer photoakustischen Messung Partikelgrößen in einer Flüssigkeit zu bestimmen. Dazu wird der erzeugte photoakustische Puls genutzt.
  • Aus der US 5,178,836 ist es bekannt aus der Amplitude der generierten akustischen Welle auf die Größe von Partikeln, bevorzugt von Partikeln in Flüssigkeiten, zu schließen.
  • Aus der JP 59126933 ist es bekannt, aus der Intensität und der Phasenverschiebung photoakustisch die Größe von Partikeln in einer Flüssigkeit zu bestimmen
  • Aus der EP 0 213 468 A ist eine Vorrichtung zur Untersuchung von Partikeln mit photoakustischer Spektroskopie bekannt. Diese enthält eine Lichtquelle zur Erzeugung von Anregungsstrahlen mit einer festgelegten Leistung, einer festgelegten Pulsform und einer festgelegten Wiederholfrquenz. Als Lichquelle kommt ein YAG-Laser in Betracht, dessen Pulslänge im Bereich von 1 ns bis 10 ns liegt.
  • Aus der US 5,178,836 ist ein Verfahren bekannt, um Partikel zu bestimmen. Dazu werden Schallwellen erfasst, die durch Strahlung auf die Probe erzeugt werden. Dazu wird eine Strahlung mit so hoher Intensität gewählt, dass ein Plasma erzeugt wird. Die beim Zusammenbruch des Plasmas erzeugte Schallwelle kann detektiert werden. Ebenso kann die emittierte elektromagnetische Strahlung ermittelt werden.
    • Beschreibung
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Detektor zu entwickeln, welcher zeitaufgelöste und insbesondere auch größenaufgelöste Messungen von Feinstaubpartikelkonzentrationen in der Luft ermöglicht. Insbesondere soll auch eine Messung im Abgas möglich sein.
  • Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung und das Verfahren, welche in den unabhängigen Ansprüchen angegeben sind, gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen an.
  • Es wurde erkannt, dass ein photoakustischer Detektor zur Messung von Feinstaub in Gas mit einer gepulsten Lichtquelle zur Bereitstellung von Anregungslicht, bei dem durch eine Veränderung der Pulslänge und/oder Pulswiederholfrequenz eine Größenverteilung der Feinstaubpartikel bestimmt werden kann, die vorgenannte Aufgabe löst. Dabei wird die unterschiedliche Wärmekapazität größerer und kleinerer Feinstaubpartikel genutzt. Je größer ein Partikel ist, desto größer sind auch seine Masse und seine Wärmekapazität. Bei einer Anregung mit einem Lichtpuls - in der Regel handelt es sich um Laserpülse - werden zunächst die Partikel durch Absorption von Licht erwärmt. Anschließend geben die Partikel Wärme an die Umgebung ab. Die Erwärmung des umgebenden Gases führt sodann zu einer Ausdehnung, welche eine Druckwelle hervorruft, die als Schall messbar ist. Wegen des Querschnitts und damit der größeren Absorptionsfläche wird in den größeren Partikeln mehr Licht absorbiert und damit mehr Wärme aufgenommen. Da die wirksam absorbierende Fläche etwa mit dem Quadrat des Durchmessers wächst, die Wärmekapazität, welche proportional zur Masse ist, hingegen mit der dritten Potenz des Durchmessers wächst, erfolgt bei größeren Partikeln eine geringere Temperaturerhöhung Insgesamt ist aber wie dargelegt mehr Wärme in den größeren Partikeln gespeichert. Es dauert länger als bei kleineren Partikeln, bis diese Wärme an die Umgebung abgegeben wird. Die zeitliche Differenz zwischen der Dauer des anregenden Pulses und der Dauer des photoakustischen Signals, ist also bei größeren Partikeln größer als bei kleineren Partikeln. Bei einer Erhöhung der Pulsdauer werden alle Partikel stärker erwärmt. Aus dem Vergleich mehrerer photoakustischer Signale bei unterschiedlichen Lichtpulslängen kann somit auf eine Größenverteilung geschlossen werden. Dieser Effekt kann rechnerisch gezeigt und ermittelt werden. In der Praxis ist es jedoch stets vorteilhaft, durch Messung von Referenzproben den jeweiligen Detektor zu kalibrieren.
  • Auch durch die Änderung der Pulswiederholfrequenz kann die Größenverteilung der Feinstaubpartikel bestimmt werden. Wie dargelegt werden die Partikel bei jedem Puls erwärmt und geben anschließend ihre Wärme an die Umgebung ab. Dabei kühlen sich kleinere Partikel zwischen den einzelnen Anregungspulsen stärker ab als größere Partikel. Da nur die jeweilige Temperaturänderung der Umgebungsluft zum photoakustischen Signal beiträgt, ist das photoakustische Signal größer, wenn die aufgenommene Wärme zwischen den einzelnen Anregungspulsen möglichst vollständig an die Umgebung abgegeben wird. Steigert man die Pulswiederholfrequenz, so können die größeren Partikel ihre Wärme zwischen den einzelnen Anregungspulsen nicht ausreichend an die Umgebungsluft abgeben und tragen somit weniger zum photoakustischen Signal bei. Aus einem Vergleich des gesamten photoakustischen Signals bei größeren und kleineren Pulswiederholfrequenzen kann somit auf die Größenverteilung der detektierten Feinstaubpartikel geschlossen werden. Auch dies kann rechnerisch gezeigt werden. Zur Erzielung genauer Messergebnisse ist es jedoch vorteilhaft, den Detektor mit bekannten Proben zu kalibrieren.
  • Damit kann auf relativ einfache Weise der Aussagewert von Feinstaubpartikelmessungen erhöht werden, da nun neben einer Aussage zur Konzentration eine Angabe zur Größenverteilung der Partikel enthalten ist. Wie eingangs erwähnt sind die gesundheitsschädigenden Wirkungen der Feinstaubpartikel von ihrer Größe abhängig. Ferner können unterschiedliche Partikelgrößen auch Aufschluss über die Quelle oder die Ursache der Feinstaubbelastung geben.
  • In einer Weiterbildung ist zusätzlich eine Erfassung des vom Feinstaub gestreuten Anregungslichts möglich. Damit kann unterschieden werden, ob das photoakustische Signal von absorbierenden Gasen stammt, welche das Licht nicht streuen oder von streuenden Partikeln. Ferner ermöglicht die Streulichtmessung die Art des Feinstaubs näher zu bestimmen. So ist beim stark absorbierenden Ruß das photoakustische Signal im Vergleich zum Streulichtsignal höher als etwa bei gering absorbierenden Sand- oder Staubpartikeln. Da die Zusammensetzung des Feinstaubs hinsichtlich der gesundheitsschädigenden Wirkungen von Bedeutung ist, ist diese zusätzliche Aussage von Vorteil.
  • Um die Messempfindlichkeit zu erhöhen, ist es vorteilhaft, eine optische Multipassanordnung und Mittel zur Konzentration der akustischen Energie vorzusehen. Dies bietet allgemein einen Vorteil, da die Anforderungen an die Empfindlichkeit der Schalldruckaufnehmer begrenzt werden kann. Dafür ist es von Bedeutung, dass durch eine geeignete Konzentration vor allem das Signal und weniger die Hintergrundgeräusche konzentriert werden können. Damit werden Störsignale reduziert. Insbesondere bei Messungen im Abgas kann sich das Problem ergeben, dass die Schalldruckaufnehmer den hohen dort vorherrschenden Temperaturen nicht standhalten. Um eine Anordnung der Schalldrucksensoren im Bereich des heißen Gases zu vermeiden, kann die Konzentration so erfolgen, dass der Bereich maximalen Schalldrucks in einem Bereich liegt, in dem die Temperatur niedriger ist als im zu untersuchenden Gas. So kann etwa die akustische Energie aus einem Abgasstrom herausgelenkt werden und außerhalb des heißen Abgasstroms eine maximale Konzentration des Schalldrucks erreicht werden.
  • Verwendet man zur Konzentration der akustischen Energie Reflektoren, welche auch zur Konzentration des gestreuten Anregungslicht nutzbar sind, so kann die Zahl der Kosten verursachenden und Wartung verlangenden Einbauten reduziert werden. Zudem ist es ohnehin häufig sinnvoll, den Schalldruck und das gestreute Anregungslicht in ähnlichen Bereichen zu konzentrieren.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist es möglich, die Feinstaubpartikel in einem durch den Detektor durchfließenden Gas zu messen. Damit kann etwa Abgas durch den Detektor durchgeleitet werden ohne dass eine umständliche Probenaufbereitung erforderlich wäre. Auch können kontinuierliche Messungen etwa in Abgasanlagen oder Lüftungsanlagen erfolgen.
  • Bisweilen kann die Konzentration des Schalldrucks und/oder des gestreuten Anregungslicht in einen Bereich, in denen eine niedrigere Temperatur besteht, schwierig sein. Auch kann in diesen Bereichen immer noch eine hohe Temperatur bestehen. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, wenn eine Kühleinrichtung für Sensoren, welche den Schalldruck erfassen können, und/oder für Sensoren, welche das Streulicht erfassen können, vorhanden ist. Hier kann eine Wasserkühlung vorgesehen werden. Auch eine lokale Kühlung durch Peltier-Elemente kann die Temperaturbelastung der Sensoren reduzieren.
  • Eine weitere Möglichkeit zur Senkung der Temperaturbelastung von Sensoren ist es, eine thermische Entkopplung zwischen dem Bereich der Erzeugung und der Erfassung des akustischen Signals vorzusehen. Hier sind verschiedene Möglichkeiten denkbar.
  • Besonders günstig ist es, die thermische Entkopplung durch eine schalldurchlässige und/oder lichtdurchlässige Folie zu gewährleisten, welche thermisch isolierend ausgeführt ist. Etwa eine Folie aus Polyimid erfüllt die vorgenannten Anforderungen
  • Eine robuste und temperaturbeständige Einrichtung zur Erfassung des akustischen Signals ist ein optisches Mikrophon. Bei einer Ausführungsform eines optischen Mikrophons wird das Licht, etwa einer Leuchtdiode, über eine Glasfaser durch ein Linsenarray geführt. Dadurch wird der Lichtstrahl auf eine verspiegelte Membran gelenkt. Wenn nun die Membran schwingt, wie es bei Anregung durch Schall geschieht, verändert sich das Lichtsignal. Ein entfernter, also nicht im Bereich hoher Temperatur angeordneter Photodetektor wandelt das Lichtsignal in elektrische Spannungen um. Damit kann ein Detektor im Bereich normaler Temperaturen aufgestellt werden. Lediglich die vorgenannten optischen Elemente müssen den hohen Temperaturen standhalten. Derartige Mikrophone sind seit längerem bekannt und zunehmend günstig erhältlich.
  • Eine günstige Anordnung der Sensoren zur Erfassung des akustischen und zur Erfassung des optischen Signals ergibt sich dadurch, dass die Sensoren derart nahe zusammen angeordnet sind, dass bei einer gemeinsamen Konzentration der akustischen Energie und des gestreuten Lichts beide Sensoren im Bereich maximalen Signals angeordnet sind. Dabei ist verständlicherweise unter dem Bereich maximalen Signals nicht exakt der Punkt des lokalen Maximums des Schalldrucks oder des gestreuten Anregungslicht zu verstehen. Es geht lediglich um einen Bereich, in dem ein sehr hohes Signal vorhanden ist, so dass man von einem Bereich maximalen Signals sprechen kann. Auch bei Signalen bis zu 20% unterhalb des lokalen Maximums kann von einem Bereich maximalen Signals gesprochen werden.
  • Um eine Messung bei unterschiedlichen Wellenlängen durchführen zu können und damit eine bessere Unterscheidung zwischen Kohlenstoffpartikeln und herkömmlichen Staubpartikeln erreichen zu können, ist es sinnvoll, wenn zur Bereitstellung des Anregungslichts mindestens drei Diodenlaser vorhanden sind.
  • Eine Erhöhung des photoakustischen Signals wie auch des Streulichtsignals ergibt sich, wenn das Anregungslicht mehrfach durch den Messbereich leitbar ist. Dies kann durch entsprechend reflektierende Elemente erfolgen. Lichtlaufzeiten sind im Vergleich zu den Zeiten der akustischen Signalerzeugung, also der Zeit, die benötigt wird, um das Gas entsprechend zu erwärmen und das resultierende Schalldrucksignal detektieren zu können, relativ kurz. Auch im Vergleich zu den Pulsdauern oder den zeitlichen Abständen zwischen den Pulsen sind die Lichtlaufzeiten niedrig. Eine mehrfache Leitung des Anregungslichts durch den Messbereich steht daher der Bestimmung der Größenverteilung der Feinstaubpartikel durch Änderung der Pulslänge oder Pulswiederholfrequenz nicht im Weg.
  • Eine Möglichkeit, ein hohes photoakustisches Signal zu erreichen, ergibt sich durch Bereitstellen eines zylindrischen akustischen Resonators, welcher Mittel aufweist, das Anregungslicht derart zu leiten, dass die durch Absorption des Anregungslichts anregbare Schallwelle die zweite azimutale Resonanz der Zylinderschwingung ist. Auf diese Weise wird ein Resonanzeffekt genutzt, welcher das akustische Signal erhöht. Ein zylindrischer Resonator bietet auch eine geeignete Geometrie, damit das zu messende Gas durch den Detektor günstig durchströmen kann.
  • Um sich die Verstärkung des Signals klar zu machen, betrachte man einen Zylinder im Querschnitt. Wenn man durch geeignete Anregung erreicht, dass in gegenüberliegenden Bereichen des Kreises, der den Zylinderquerschnitt darstellt, Ausdehnungen erfolgen, während in den den gegenüberliegenden Bereichen benachbarten Bereichen, die sich selbst wieder gegenüber liegen, keine Ausdehnung erfolgt, erzielt man eine entsprechende Schallwelle. Durch die Anregung bilden sich somit Kreissegmente mit einem durch die Ausdehnung erhöhten Druck. Die benachbarten Kreissegmente, welche größer sind, weisen keinen erhöhten Druck, sondern normalen Druck auf. Durch diese Druckdifferenzen kann sich eine im Zylinder umlaufende Schallwelle ausbilden. Bei geeigneter Wahl der Anregungsfrequenz, also der Wiederholfrequenz oder Modulationsfrequenz der Lichtquelle kann die zweite azimutale Resonanz angeregt werden. Dadurch erfolgt eine hohe Verstärkung des photoakustischen Signals.
  • Ein geeignetes Mittel zur Leitung des Anregungslichts sind vier Spiegel, die in Gruppen von jeweils zwei Spiegeln im zylindrischen, akustischen Resonator gegenüber liegend angeordnet sind. Auf diese Weise kann das Licht auf einen ersten Spiegel treffen und von dort auf einen gegenüberliegenden zweiten Spiegel reflektiert werden. Dieser reflektiert das Licht zu einem benachbarten dritten Spiegel Von diesem erfolgt die Reflexion auf einen dem dritten Spiegel gegenüberliegenden vierten Spiegel. Dieser lenkt das Licht schließlich wieder zum ihm benachbarten ersten Spiegel. Damit wird in gegenüber liegenden Bereichen des Zylinders eine Erhöhung des Schalldrucks erreicht. Dies kann zu einer azimutalen Schwingung im Zylinder führen. Wählt man die Anregungsfrequenzen entsprechend, so entwickelt sich eine azimutale Schwingung bei der zweiten azimutalen Resonanz der Zylinderschwingung.
  • Eine alternative Ausgestaltung des Detektors ergibt sich, wenn der Detektor einen nicht vollständig von einem Gehäuse umschlossenen, akustisch offenen Messbereich aufweist. Dieser enthält Mittel zum Einbringen von Anregungslicht in den Messbereich, so dass das Anregungslicht von im Messbereich befindlichen Feinstaubpartikeln zur Erzeugung akustischer Energie absorbiert werden kann. Darüber hinaus ist mindestens ein akustischer Sensor vorzusehen, wobei Mittel vorhanden sind, um an mindestens einer Position ein lokales Maximum des Schalldrucks zu erreichen. Der mindestens eine akustische Sensor ist in der Nähe der mindestens einen Position, an der das lokale Maximum des erzeugten Schalldrucks vorliegt, angeordnet. Einzelheiten sind der DE 10 2005 030 151 zu entnehmen, welche hiermit in die Offenbarung der vorliegenden Anmeldung aufgenommen ist.
  • Eine geeignete Möglichkeit zum Erzeugen eines lokalen Maximums des Schalldrucks sind akustische Spiegel, insbesondere parabolische akustische Spiegel.
  • Von besonderer Bedeutung ist eine Messeinrichtung zur zeitaufgelösten Messung des Abgases eines Kraftfahrzeugs oder eines Motorenprüfstands mit einem photoakustischen Detektor nach einem der vorgehenden Ansprüche. Bei der Überprüfung und erst recht bei der Entwicklung von Motoren ist es nicht ausreichend, wenn komplizierte Messtechniken zur Verfügung stehen, mit denen eine verspätete Auswertung des Signals möglich ist. Vielmehr ist es wünschenswert, dass eine zeitgleiche Information über die Abgasbelastung erfolgen kann. So können Einstellungen vorgenommen werden, mit denen die Abgasbelastung reduziert werden kann. Mit der vorliegenden Erfindung können Messeinrichtungen geschaffen werden, welche in Werkstätten zu einem vertretbaren Preis angeschafft werden können. Damit kann in regelmäßigen Wartungsintervallen von Kraftfahrzeugen eine Einstellung des Motors in der Weise erfolgen, dass die Belastung mit gesundheitsschädigenden Feinstaubpartikeln reduziert werden kann.
    • Ausführungsbeispiel
  • Ohne Einschränkung der Allgemeinheit wird die Erfindung anhand von einem Ausführungsbeispiel nachfolgend näher beschrieben. Dabei zeigt Figur 1 einen Messaufbau für die Messung im heißen Abgas. Der Hauptteil des photoakustischen Feinstaubdetektors ist ein Rohr 1 aus Metall oder Keramik, dessen Durchmesser darauf abgestimmt ist, dass der Einbau in ein Abgasrohr möglich ist. Die Messeinbauten sind in einem ringförmigen Gehäuse 8 eingeschlossen. In dem Rohr 1 befinden sich zwei Paare Gold beschichteter optischer Spiegel. Zum einen sind zwei plane Spiegel 2, von denen in der Zeichnung nur der obere sichtbar ist, angeordnet. Diese planen Spiegel dienen dazu, dass aus einer in der Figur nicht gezeigten Laserquelle kommende Licht durch Reflexionen mehrfach durch den Messbereich zu leiten. Dabei wird der Lichtstrahl nicht immer an derselben Stelle des Spiegels reflektiert. Vielmehr wandert der Auftreffpunkt des Lichts von Reflexion zu Reflexion jeweils ein Stückchen weiter. Es ergibt sich somit eine Linie von Auftreffpunkten 3. Die Feinstaubpartikel absorbieren das Licht des Laserpulses. Zudem wird das Licht an den Feinstaubpartikeln gestreut. Durch die Absorption und die nachfolgende Erwärmung der umgebenden Luft wird ein photoakustisches Signal erzeugt. Ferner wird ein Streulichtsignal erzeugt. Im weiteren Paar von Spiegeln, einem Paar von 60° off-axis Hohlspiegeln 4, werden sowohl die photoakustisch erzeugten Schallwellen als auch das Streulicht in Brennpunkte reflektiert.
  • Im Bereich der Brennpunkte befinden sich akustische Ultraschallsensoren 6 und optische Detektoren 7. Diese befinden sich außerhalb des Rohrs 1. Im Rohr 1 sind Öffnungen enthalten, durch die die von den Hohlspiegeln konzentrierten Schallwellen und das von den Hohlspiegeln konzentrierte Streulicht zu den Detektoren gelangen kann. In diesen Öffnungen befindet sich eine dünne hitzebeständige Kunststofffolie 5 aus Polyimid. Durch diese Folie wird erreicht, dass die Temperatur des durch das Rohr 1 fließenden heißen Abgases nicht zu den Detektoren gelangt. Damit können weniger aufwendige Detektoren eingesetzt werden. Zur Unterbringung der Hohlspiegel 4 und der Detektoren 6, 7 ist ein ringförmiges Gehäuse, welches das Rohr umgibt, vorhanden. Da die Detektoren trotz der hitzebeständigen Folie 5 einer Temperaturbelastung ausgesetzt sind, ist eine Kühlung durch Peltier-Elemente kombiniert mit einer Luftkühlung möglich.
  • Das Gas, in dem die Feinstaubpartikel gemessen werden sollen, kann durch das Rohr 1 ungehindert durchströmen. Zur Durchführung der Messung werden bei einer Wellenlänge ungefähr 100 bis 200 Pulse abgegeben. Beim Signal wird eine Mittelung vorgenommen. Zur Bestimmung der Größenverteilung der Feinstaubpartikel werden die Pulslängen von 1 µs bis 100 µs variiert. Bei der Pulswiederholfrequenz ist eine Variation von 1 kHz bis 50 kHz vorgesehen. Durch Messung bei drei verschiedenen Wellenlängen, etwa 400 nm, 700 nm und 1000 nm kann eine bessere Unterscheidung zwischen Feinstaubpartikeln und anderen absorbierenden Materialien erfolgen.
  • Da Schallwellen sich in Strömungsrichtung schneller ausbreiten als gegen die Strömungsrichtung, kann aus der unterschiedlichen Laufzeit des Schallsignalsauch die Strömungsgeschwindigkeit des durchströmenden Gases bestimmt werden. Um bei einer Messung im Abgas auf die verursachten Emissionen schließen zu können, reicht es nicht aus, nur die Konzentration im Abgas zu bestimmen; zusätzlich ist es erforderlich, das in der Zeiteinheit emittierte Volumen zu bestimmen. Hierzu ist die Messung der Geschwindigkeit des ausströmenden Gases erforderlich.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Rohr
    2
    plane Spiegel
    3
    Linie von Lichtauftreffpunkten
    4
    Hohlspiegel
    5
    Folie
    6
    Ultraschallsensor
    7
    optischer Detektor
    8
    ringförmiges Gehäuse

Claims (15)

  1. Photoakustischer Detektor zur Messung der Konzentration von Feinstaubpartikeln, insbesondere von Kohlenstoffpartikeln, im Gas mit einer gepulsten Lichtquelle zur Bereitstellung von Anregungslicht, dadurch gekennzeichnet, dass die gepulste Lichtquelle so ausgestaltet ist, dass die Pulslänge und/oder die Pulswiederholfrequenz verändert werden kann, wobei die Pulslänge von 1 µs bis 100 µs verändert werden kann, und wobei die Pulswiederholfrequenz von 1 kHz bis 50 kHz verändert werden kann, so dass nach Kalibrierung durch Messung von Referenzproben auch eine Größenverteilung der Feinstaubpartikel bestimmt werden kann.
  2. Photoakustischer Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Erfassung des von den Feinstaubpartikeln gestreuten Anregungslichts möglich ist
  3. Photoakustischer Detektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Konzentration (4) der akustischen Energie angeordnet sind, insbesondere zur Konzentration in einen Bereich, in dem die Temperatur niedriger ist als im Feinstaub enthaltenden Gas.
  4. Photoakustischer Detektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel zur Konzentration der akustischen Energie Reflektoren (4) einsetzbar sind, die auch zur Konzentration des gestreuten Anregungslichts nutzbar sind.
  5. Photoakustischer Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Feinstaub direkt im durch den Detektor durchfließenden heißen Gas gemessen werden kann.
  6. Photoakustischer Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühleinrichtung für Sensoren (6), welche den Schalldruck erfassen können, und/oder für Sensoren (7), welche das Streulicht erfassen können, vorhanden ist.
  7. Photoakustischer Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine thermische Entkopplung zwischen dem Bereich der Erzeugung und der Erfassung des akustischen Signals vorhanden ist.
  8. Photoakustischer Detektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Entkopplung durch eine schalldurchlässige und/oder lichtdurchlässige Folie (5) gewährleistet ist, welche thermisch isolierend ausgeführt ist.
  9. Photoakustischer Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (6) zur Erfassung des akustischen Signals ein optisches Mikrophon ist.
  10. Photoakustischer Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (6, 7) zur Erfassung des akustischen und zur Erfassung des optischen Signals derart nahe zusammen angeordnet sind, dass bei einer gemeinsamen Konzentration der akustischen Energie und des gestreuten Lichts beide Sensoren im Bereich maximalen Signals angeordnet sind.
  11. Photoakustischer Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bereitstellung des Anregungslichts mindestens drei Diodenlaser vorhanden sind.
  12. Photoakustischer Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor einen nicht vollständig von einem Gehäuse umschlossenen, akustisch offenen Messbereich aufweist, umfassend:
    Mittel zum Einbringen von Anregungslicht in den Messbereich, so dass das Anregungslicht von im Messbereich befindlichen Feinstaubpartikeln zur Erzeugung akustischer Energie absorbiert werden kann;
    mindestens einen akustischen Sensor (6), wobei Mittel (4) vorhanden sind, um an mindestens einer Position ein lokales Maximum des Schalldrucks zu erreichen, wobei der mindestens eine akustische Sensor (6) in der Nähe der mindestens einen Position, an der das lokale Maximum des erzeugten Schalldrucks vorliegt oder erzeugbar ist, angeordnet ist.
  13. Photoakustischer Detektor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzeugen eines lokalen Maximums des Schalldrucks akustische Spiegel (4), insbesondere parabolische akustische Spiegel, vorhanden sind.
  14. Messeinrichtung zur Messung von Abgasen eines Kraftfahrzeugs oder eines Motorenprüfstandes mit einem photoakustischen Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  15. Verfahren zur photoakustischen Messung von Feinstaub im Gas mit gepulster Lichtquelle zur Bereitstellung von Anregungslicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulslänge und/oder Pulswiederholfrequenz variiert wird, und so auf der Basis von Kalibrierungen die Größenverteilung der Feinstaubpartikel ermittelt wird.
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